Способ получения биметаллического слитка с плакирующим слоем из коррозионностойкой стали

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к производству с использованием электрошлаковой технологии биметаллических слитков, предназначенных для последующей прокатки на биметаллические полосы и листы. Осуществляют размещение металлической заготовки с зазором от стенки кристаллизатора, установку в этом зазоре расходуемого электрода из коррозионностойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя, на заготовке основного слоя толщиной 150-300 мм при ширине 1000-1600 мм формируют наплавленный слой, толщина которого составляет 5-30% от общей толщины слитка, согласно изобретению в процессе переплава производят регулировку значений тока в интервале 9-13 кА и напряжения в интервале 37-45 В, при этом значения подводимой мощности находятся в интервале 420-500 кВт, а переплав электрода из коррозионностойкой стали, содержащей 0,3-0,6% титана, проводят под шлаком, содержащим 1-5% TiO₂. Изобретение обеспечивает минимизацию угара титана и повышение коррозионной стойкости наплавленного слоя биметаллических слитков и листов при сохранении высокой прочности и сплошности соединения слоев и технологичности. 1 пр., 2 табл.

 

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, конкретнее к производству с использованием электрошлаковой технологии биметаллических слитков, состоящих из основного слоя из углеродистой, низколегированной или легированной стали и наплавленного слоя из коррозионностойкой стали, предназначенных для последующей прокатки на биметаллические полосы или листы. Важными требованиями к таким слиткам являются высокая прочность и гарантированная сплошность соединения слоев, высокая коррозионная стойкость плакирующего слоя, при удовлетворительном качестве поверхности и низкой стоимости листов. Коррозионная стойкость наплавленного слоя в слитках и в полученных из них листах определяется химическим составом стали, в частности содержанием хрома, никеля и титана в соответствии с ГОСТ-5632, его чистотой по примесям - сере и кислороду, а также его толщиной. При этом в качестве элемента, стабилизирующего содержание углерода в стали плакирующего слоя, для обеспечения ее стойкости против межкристаллитной коррозии (МКК), предпочтительнее использование титана, а не ниобия, что приводит к снижению стоимости листов и к повышению коррозионной стойкости плакирующего слоя в некоторых средах.

Известен способ получения двух- и трехслойных заготовок электрошлаковой наплавкой коррозионностойкой стали на заготовку основного слоя под флюсом, содержащим CaO, CaF₂, SiO₂, Al₂O₃ и MgO, в котором для снижения содержания кислорода в наплавленном слое рекомендуется поддерживать значение коэффициента относительной химической активности не более 0,07, а при наплавке использовать форсированные режимы с повышенными скоростями формирования наплавленного слоя (Родионова И.Г., Шарапов А.А., Липухин Ю.В. и др. Влияние свойств шлака на качество наплавленного слоя из коррозионностойкой стали. Сталь. - 1990. - №12. - С. 28-30). Этот способ обеспечивает высокую прочность сцепления слоев и удовлетворительное качество поверхности. Однако форсированные режимы наплавки приводят к увеличению как абсолютных значений глубины проплавления основного слоя, так и к ее повышенной неравномерности. Глубокое проплавление основы приводит также к существенному разбавлению коррозионностойкой стали сталью основы и к соответствующему снижению коррозионной стойкости. Кроме того, низкая химическая активность флюса приводит, главным образом, к снижению содержания кислорода и в меньшей степени серы, в то время как для повышения коррозионной стойкости во многих средах более важно рафинирование наплавленного слоя по сере, чем по кислороду. Следует также отметить, что описанная в способе сталь плакирующего слоя не содержит элементов, позволяющих обеспечить стабилизацию углерода, а именно титана и ниобия, что не обеспечивает ее стойкости против МКК.

Для повышения коррозионной стойкости сталей аустенитного класса в виде монометалла, получаемого путем электрошлакового переплава (ЭШП), или в виде плакирующего слоя двухслойной стали, получаемой методом электрошлаковой наплавкой (ЭШН), при снижении затрат на производство, возможно использование технологических приемов, направленных на обеспечение требуемого содержания титана в стали наплавленного слоя. Проведенный анализ показал, что для получения в процессе ЭШП коррозионностойкой стали аустенитного класса, легированной титаном, и/или при получении методом ЭШН биметалла с плакирующим слоем из такой стали можно использовать несколько подходов.

Первый подход заключается в выборе оптимального химического состава стали для расходуемых электродов, наличие в составе стали элементов, обладающих более высоким сродством к кислороду, чем титан. К таким химическим элементам относятся кальций, магний, алюминий и цирконий, что может быть учтено в качестве одного из возможных приемов при разработке технологии ЭШН сталей с титаном. Так, в работе (Патент RU2578879, МПК H05B 7/07, C22B 9/18, C22C 38/50 Опубл. 27.03.2016) предложено обеспечивать соотношение содержания титана к алюминию в электроде в пределах 6,0-9,0, при этом содержание титана в электроде должно быть выше требуемого содержания титана в готовой стали на величину его угара при переплаве, который определяют по зависимости: ΔTi=37Ti+35Ti × D / (63+35D), где ΔTi - средний угар титана, полученный при проведении плавок в кристаллизаторы различного профилеразмера с одинаковым коэффициентом заполнения, %; Ti - содержание титана в готовом металле, %; D - диаметр кристаллизатора. Это позволяет получить качественный металл с гарантированным содержанием титана и с равномерным его распределением по объему выплавляемого слитка. Однако повышенное содержание указанных выше элементов, а также самого титана в стали расходуемых электродов неизбежно приводит к повышению стоимости двухслойных листов.

Второй подход заключается в подборе оптимального режима наплавки. Необходимо регулировать значения напряжения и тока, так как слишком высокие значения мощности способствуют увеличению угара титана, повышению глубины проплавления стали основного слоя, способствующему снижению содержания основных легирующих элементов - хрома и никеля в стали наплавленного слоя. При недостатке подводимой мощности возможно появление расслоений на границе раздела слоев. К таким же последствиям может приводить и избыток подводимой мощности, так как при этом повышается неравномерность распределения тепла по площади наплавляемой заготовки, что также приводит к появлению несплошностей.

Третий подход заключается в обоснованном выборе состава флюса и, соответственно, шлака для проведения процессов ЭШП и ЭШН стали с титаном. В частности, отмечалось, что добавление в шлак небольшого количества двуокиси титана также смещает равновесие реакций окисления титана и снижает потери легирующего элемента. Оптимизации состава шлака для ЭШП стали, легированной титаном, посвящено множество исследований, результаты которых в основном сводятся к рекомендациям по присутствию в нем двуокиси титана, а также в минимальном содержании в нем SiO₂ и FeO. Так, авторами (А.с. СССР №534097, МПК С21С5/54. Опубл. 15.05.1994) предложен флюс для электрошлакового переплава, содержащий окись алюминия, окись кальция, двуокись титана, фтористый кальций, которые взяты в следующем соотношении, мас.%: окись алюминия 5-19, окись кальция 1-15, двуокись титана 0,5-5, фтористый кальций - остальное. При этом следует учитывать, что шлак в процессе ЭШП и ЭШН выполняет целый ряд функций, и оптимизация его состава с целью снижения угара титана не должна снижать его другие функциональные характеристики. Повышенное содержание в шлаке двуокиси титана при получении биметалла методом ЭШН может приводить к повышению жидкотекучести шлака, сопровождающегося его утечкам в процессе ЭШН, и сделать невозможным получение качественного соединения и равномерной толщины наплавленного слоя по всей площади двухслойных заготовок и листов.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения биметаллического слитка, включающий размещение металлической заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в этом зазоре расходуемого электрода из коррозионностойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя на заготовке основного слоя толщиной 150-300 мм при ширине 1000-1600 мм, при регламентированных значениях скорости формирования и электросопротивления шлаковой ванны, при этом толщина наплавленного слоя составляет 5-30% от общей толщины слитка (Патент RU2193071, МПК C22B 9/20. Опубл. 20.11.2002 - данная работа является прототипом)

Способ обеспечивает высокую прочность сцепления и гарантированную сплошность соединения слоев, равномерность толщины наплавленного слоя при удовлетворительном качестве поверхности при наплавке заготовок больших размеров и массы. В то же время, этот способ позволяет получить двухслойную сталь с плакирующим слоем из аустенитной хромо-никелевой стали, легированной ниобием, но не позволяет получить биметалл с плакирующим слоем из аустенитной хромо-никелевой стали, легированной титаном, что неизбежно приводит к повышению затрат на производство. Кроме того, это сужает области применения производимого биметалла из-за более низкой коррозионной стойкости в некоторых средах стали, легированной ниобием, по сравнению со сталью, легированной титаном.

Задача, решаемая с помощью данного изобретения, заключается в обеспечении высокого качества биметаллических слитков определенного размерного сортамента, в том числе предназначенных для последующей прокатки на листы: высокой прочности и гарантированной сплошности соединения слоев, равномерной толщины, высокой коррозионной стойкости и удовлетворительного качества поверхности наплавленного слоя, при сравнительно низкой себестоимости биметаллических заготовок и листов.

Техническим результатом данного изобретения является повышение коррозионной стойкости наплавленного слоя биметаллических слитков и листов, а также снижение их себестоимости, при сохранении высокой прочности и сплошности соединения слоев и технологичности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе получения биметаллического слитка, включающем размещение металлической заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в этом зазоре расходуемого электрода из коррозионностойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя, толщина которого составляет 5-30% от общей толщины слитка, на заготовке основного слоя толщиной 150-300 мм при ширине 1000-1600 мм, согласно изобретению, в процессе переплава производят регулировку значений тока в интервале 9-13 кА и напряжения в интервале 37-45 В, при этом значения подводимой мощности находятся в интервале 420-500 кВт, а переплав электрода из коррозионностойкой стали, содержащей 0,3-0,6% титана проводят под шлаком, содержащим 1-5% TiO₂.

Поддержание значения мощности в интервале 420-500 кВт, путем изменения значений напряжения в интервале 37-45 В и тока в интервале 9-13 кА, является необходимым условием обеспечения требуемого содержания титана в стали наплавленного слоя. При мощности, значения которой не будут соответствовать указанному интервалу, содержание титана в стали наплавленного слоя будет ниже предъявляемых требований. Кроме того, если значения мощности будут сильно превышать данный интервал, то это приведет к появлению дефектов в виде расслоений.

Еще одним условием обеспечения требуемого содержания титана в стали наплавленного слоя является содержание 0,3-0,6% титана в стали расходуемого электрода, а также содержание 1-5% TiO₂ в шлаке, используемом для наплавки. При более низком содержании титана в стали и/или оксида титана в шлаке содержание титана в стали наплавленного слоя будет ниже, чем требуемое по ГОСТ-5632. Повышение содержания оксида титана в шлаке более 5% приведет к повышению жидкотекучести шлака, его утечкам в процессе ЭШН, что сделает невозможным получение качественного соединения и равномерной толщины наплавленного слоя по всей площади двухслойных заготовок и листов.

Пример конкретного выполнения способа

Наплавку заготовок основного слоя из стали 09Г2С с химическим составом, представленным в таблице 1, толщиной 250 мм, шириной 1470 мм при заданной толщине наплавленного слоя 40 мм (16% от общей толщины) вели на специально созданных для электрошлаковой наплавки установках наклонного типа. В зазор между поверхностью заготовки основного слоя и кристаллизатором вводили расходуемые электроды из сталей типа 08Х18Н10Т (варианты 1-6), типа 08Х18Н10Т, с пониженным содержанием титана, (вариант 7) и типа 08Х18Н10Б (вариант 8) с химическим составом, также представленным в таблице 1, в виде отдельных пластин толщиной 35 мм, перекрывающих не менее 80% ширины заготовки. В полость между заготовкой и кристаллизатором заливали жидкий шлак марки АНФ-29 с добавлением TiO₂ и в полученной шлаковой ванне вели электрошлаковый переплав расходуемых электродов с формированием наплавленного слоя при различных значениях заявленных параметров.

Полученные биметаллические слитки прокатывали на листы толщиной 20 мм.

Таблица 1 Химический состав сталей основного слоя марки 09Г2С и расходуемых электродов из сталей типа 08Х18Н10Т и 08Х18Н10Б, мас.%
Марка стали	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni	Cu	Al	Ti	Nb	V
09Г2С	0,10	0,72	1,41	0,013	0,013	0,04	0,003	0,02	0,030	0,03	0,005	0,001	0,003
08Х18Н10Т	0,05	0,73	1,50	0,027	0,010	22,5	0,002	12,0	0,024	0,04	0,530	0,002	0,002
08Х18Н10Т	0,05	0,72	1,48	0,028	0,011	22,7	0,002	11,8	0,022	0,03	0,150	0,002	0,002
08Х18Н10Б	0,05	0,69	1,35	0,019	0,009	22,6	0,002	12,5	0,029	0,04	0,002	0,780	0,002

В таблице 2 приведены опробованные варианты параметров ЭШН, в том числе значения тока, напряжения и мощности, а также характеристики металлического слитка, в том числе содержание титана.

Как видно из таблицы 2, содержание Ti в первом случае уменьшается, относительно расходуемого электрода, происходит угар титана. Более того, содержание Ti в наплавленном слое не соответствует требованию ГОСТ 5632, это связано с тем, что содержание оксида титана в исходном флюсе составило 0,5%, что не соответствует формуле изобретения. Для второго варианта значения мощности не соответствуют формуле изобретения, они слишком завышены, что привело к дефектам в виде расслоений на границе раздела слоев, выявляемых УЗК. Кроме того, из-за большой глубины проплавления

Таблица 2 Свойства биметаллических слитков и листов
№	I, кА	U, В	P, кВт	Содержание TiO2 в исходном флюсе, %	Содержание Ti в расходуемом электроде, (для варианта 8 Nb) %	Содержание Ti в наплавленном слое, (для варианта 8 Nb) %	Содержание Cr %	Содержание Ni, %	Наличие дефектов в виде расслоений на границе раздела слоев, выявляемых УЗК на слитках
1	11	45	495	0,5	0,53	0,17	17,89	9,56	-
2	12	48	576	1	0,53	0,47	16,27	8,12	+
3	10	42	420	4	0,53	0,62	17,76	10,34	-
4	11	41	451	3	0,53	0,59	17,91	10,78	-
5	10	36	360	5	0,53	0,48	17,18	10,72	+
6	11	42	462	7	0,53	0,67	16,98	10,15	+
7	13	37	481	4	0,15	0,14	17,94	9,89	-
8	Прототип	0,84	0,37	18,32	9,65	-
	Требования ГОСТ 5632		5C (0,7

можно заметить существенное снижение содержания хрома и никеля после наплавки. Для третьего и четвертого вариантов значения тока, напряжения, мощности и содержание оксида титана в исходном флюсе соответствовали формуле изобретения, поэтому можно заметить, что угара титана не происходит.Содержание титана в стали наплавленного слоя оказалось существенно выше, чем в стали расходуемых электродов. Основной причиной снижения угара титана является измененный режим ЭШН - снижение подводимой мощности за счет уменьшения значений напряжения и тока. Кроме того, можно заметить, что при режимах, используемых в третьем и четвертом вариантах происходит меньшее снижение содержания хрома и никеля. Для варианта 5 значение мощности не соответствовало формуле изобретения, поэтому местами не было проплавления основного слоя, в результате образовались дефекты в виде расслоений на границе раздела слоев, выявленные УЗК. Для варианта 6 содержание TiO₂ было завышено. Повышенное содержание в шлаке двуокиси титана при получении биметалла методом ЭШН привело к повышению жидкотекучести шлака, что способствовало образованию дефектов в виде расслоений на границе раздела слоев. Для варианта 7 содержание Ti в расходуемом электроде не соответствует формуле изобретения, поэтому содержание Ti в наплавленном слое не соответствует требованию ГОСТ 5632. Для получения наплавленного слоя варианта 8 использовали сталь, легированную ниобием, что привело к более высокой себестоимости, по сравнению с остальными вариантами.

Таким образом, только для вариантов, соответствующих формуле изобретения, по сравнению с прототипом, получено повышение коррозионной стойкости, при снижении себестоимости, при сохранении высокой прочности и сплошности соединения слоев и технологичности.

Способ получения биметаллического слитка, включающий размещение металлической заготовки, являющейся основным слоем биметаллического слитка, с зазором от стенки кристаллизатора, установку в этом зазоре расходуемого электрода из коррозионностойкой стали, наведение шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя, на заготовке основного слоя толщиной 150-300 мм при ширине 1000-1600 мм формируют наплавленный слой, толщина которого составляет 5-30% от общей толщины слитка, отличающийся тем, что в процессе переплава производят регулировку значений тока в интервале 9-13 кА и напряжения в интервале 37-45 В, при этом значения подводимой мощности находятся в интервале 420-500 кВт, а переплав электрода из коррозионностойкой стали, содержащей 0,3-0,6% титана, проводят под шлаком, содержащим 1-5% TiO₂.